在美国化学协会期刊《应用材料和界面》上刊登的一篇论文中，麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的研究人员报告了一些新的发现：一种一旦其从打印平台上剥离它就开始自行折叠起来的可印刷的结构。
研究人员表示，这种无需任何外部刺激就可以自行折叠的设备的一个重大优势是它们可以应用到更多的材料以及更精细的结构中去。
折叠可打印的膨胀聚合物
通过新方法得到的一种一旦脱离打印平台就开始自行折叠的可打印结构。图片来源：麻省理工学院
这篇文章的第一作者，麻省理工学院电气工程和计算机科学研究生SubramanianSundaram说：“如果人们想添加一些印刷电子元件，通常会选用一些有机材料，因为大多数印刷电子元件都会依赖于有机材料。然而这些材料通常对湿度和温度都非常地敏感，所以如果你的这些电子元件和零件需要折叠，你肯定不想将它们浸在水中或者加热它们，因为这些操作都会使电子器件的性能大幅减弱。”
为了说明这一想法，研究人员构建了一个自折叠可打印设备的原型，其中包括电引线和当施加电压时从透明变为不透明的聚合物“像素”。该装置是Sundaram及其同事今年早些时候宣布的“可印刷金甲虫”的变形，开始看起来像字母“H”。但是，H的每个腿都在根部和中间向两个不同的方向折叠，最后形成一个桌面的形状。
为了表明他们可以精确控制关节折叠的角度研究人员还制作立了几个不同版本的基本形状相同的铰链。在测试中，他们通过将铰链固定在负重载来强制地拉直铰链，而当载荷被移除时，铰链就会恢复到原来的折叠状态。
预计在短期内，该技术就可以实现传感器、显示器或天线的精细化制造，而所得到的产品功能则取决于它们的三维形状。长期来看，研究人员认为制造可打印机器人也是有可能的。
Sundaram在文章中加入了其导师导师WojciechMatusik麻省理工学院电气工程和计算机科学(EECS)的副教授的一些建议;MarcBaldo也是EECS的副教授，他专门从事于研究有机电子产品;DavidKim是马特里克的计算制造小组的技术助理;RyanHayward是马萨诸塞大学阿莫斯特分校的高分子科学与工程教授。
应力释放
研究人员这项设计的关键是一种在凝固后要发生扩展的新型打印机墨水材料，这种特性是不同寻常的。大多数打印机墨水材料在固化时会略有缩小，这也是设计师经常需要面对的技术限制。
印刷设备通常会分层建立，在印刷原型中，麻省理工学院研究人员将扩展材料沉积在顶层或底部几层的精确位置上。底层会微微地粘附在打印机平台上，并且其粘合力足以使器件在层层装配时保持平整。然而，一旦所完成的器件从平台上剥离，由新材料制成的接头会开始膨胀，将器件沿相反的方向弯曲。
和以往的许多技术突破一样，这种新材料的发现对于计算机科学与人工智能实验室研究人员来说是一个意外的惊喜。马特里克计算机制造集团使用的大部分打印机材料是由聚合物组合起来的，大分子由链状单分子组分或单体组成。而这些组件混合的方法正是一种用于创建具有特定物理特性的打印机墨水的方法。
计算机科学与人工智能实验室的研究人员在尝试开发生产更加灵活的印刷墨水的过程中，无意中打到了一个固化后轻微膨胀的墨水。他们立即认识到扩展性聚合物的潜力，并开始尝试混合物配方的修改，直到他们找到一个能建立起足够扩张的接头而可以将印刷品进行对折的配方。
为什么会这样？原因有哪些？
Hayward对该文的贡献是帮助麻省理工学院团队解释了材料的扩张。产生最强力膨胀的油墨包括几个长分子链和一条非常短的分子链，由单体丙烯酸异辛酯组成。当墨水暴露于紫外线或“固化”(通常用于3-D印刷以硬化作为液体沉积的材料的工艺)时，长链分子的接触会产生相互缠结的分子刚性丛。
折叠可打印的膨胀聚合物
植物如金银花(凤仙花;俗称别摸我)会巧妙地用压力来使种子的弹射分散。该植物通过控制组织水合作用以内在压力的形式在其种子荚中储存能量。当轻轻触动时，这些荚便会爆开来，并卷曲来发射种子。使用类似的概念，S.Sundaram及其同事展示了使用3D打印来制造具有特定区域残余应力的扁平电子复合材料。图片来源：麻省理工学院
当另一层材料沉积在第一层的顶部时，丙烯酸异辛酯的短链悬浮在顶部，液体层下沉到更低、刚性更强的层中。在那里，它们与较长的链相互作用以施加膨胀的力，其对印刷平台的粘附性产生暂时性抵抗。
研究人员希望对材料发生扩展的原因可以有更多的理论认识，使他们能够根据具体应用来设计材料，包括许多印刷聚合物固化后会有1%-3%的收缩典型材料。
北卡罗来纳州立大学化学工程教授MichaelDickey说：“这项工作令人兴奋，因为它提供了一种在三维物体上创建功能性电子设备的方法。通常，电子处理是在2D平面上完成的，需要一个平坦的表面。这里提供了一种使用更传统的平面技术在2-D表面上创建电子设备的原件，然后将其转换为3-D形状，同时保持电子元件的功能，这种转变是通过印刷过程中在材料中产生应力的巧妙方法所发生的。
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